Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Nâng cao tính chính xác của quá trình pha trộn với cảm biến CORIOLIS

Nâng cao tính chính xác của quá trình pha trộn với cảm biến CORIOLIS

TÓM TẮT
Cảm biến Coriolis đo trực tiếp lưu tốc khối lượng với độ chính xác cao và không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của môi trường đo. Do vậy, nó được khuyên dùng để nâng cao tính chính xác của quá trình pha trộn hỗn hợp các chất lỏng trong ngành công nghiệp hóa chất và công nghệ thực phẩm-đồ uống. 

ABSTRACT

Coriolis sensors directly measure mass flow rate with high accuracy and is not affected by the change of conditional process. Therefore, it is recommended to enhance accuracy of blending process of the liquids in the chemical industry and food-beverage industry.

MỞ ĐẦU
Các quá trình pha trộn luôn đòi hỏi tính chính xác cao về liều lượng của các chất tham gia vào quá trình công nghệ đó, đặc biệt trong ngành công nghiệp hóa chất (hóa dầu, hóa dược, chất tẩy rửa, phân bón, …) và công nghệ thực phẩm (bia rượu, nước giải khát, …). Do đặc thù của ngành sản xuất hóa chất, thực phẩm mà các cảm biến đo lường được sử dụng trong quá trình pha trộn phải có cấu tạo đặc biệt như làm từ thép hợp kim không gỉ, chịu được ăn mòn hóa chất, chống cháy nổ, … và có độ chính xác cao, tiện lợi khi bảo trì bảo dưỡng, làm sạch bộ phận đo. Theo [1-2], đối với các quá trình đo chất lỏng thì cảm biến Coriolis là một trong những lựa chọn đầu tiên cho nhà thiết kế khi xây dựng hệ thống điều khiển quá trình pha trộn.
Một tính năng độc đáo của cảm biến Coriolis là giá trị lưu tốc khối lượng được đo trực tiếp, mà không phải tính toán từ số liệu đo tỷ trọng và thể tích. Thể tích của chất lỏng bị thay đổi theo nhiệt độ do giãn nở bởi nhiệt, áp suất hay sự nén của chất lỏng. Ưu điểm của đo lường theo khối lượng là không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của môi trường đo. Điều này góp phần làm tăng thêm độ ổn định cũng như độ chính xác của thiết bị đo Coriolis.
Cảm biến Coriolis có thể giúp cải thiện tính chính xác của quá trình pha trộn theo mẻ, quá trình pha loãng hay quá trình pha trộn liên tục. Những cảm biến này đo trực tiếp lưu tốc khối lượng với độ chính xác và độ nhạy cao, đồng thời thực hiện chuyển đổi số liệu đo thành dạng chuẩn đầu ra để đưa về trung tâm điều khiển (dạng tượng tự, dạng số, chuẩn truyền thông). Cảm biến đo Coriolis cho phép đạt độ chính xác 0.05% [3] và có khả năng cung cấp số liệu đo đa biến, như giá trị về khối lượng, thể tích, tỷ trọng, nhiệt độ, …Cảm biến Coriolis không có bộ phận chuyển động nên việc bảo dưỡng được tiến hành rất thuận lợi và gần như không tốn phí. Cảm biến này đa dạng về kích cỡ ống đo và phù hợp với nhiều loại dòng chảy.
Bài báo này sẽ xem xét một vài khó khăn liên quan đến việc xác định đủ liều lượng của các chất tham gia vào quá trình pha trộn, và phân tích khả năng cải thiện tính chính xác khi pha trộn cũng như giảm thời gian “chết” của hệ thống khi sử dụng cảm biến Coriolis.
PHA TRỘN THEO MẺ
Quá trình pha trộn là rất quan trọng đối với nhiều sản phẩm bởi vì chúng cần có mùi vị đặc trưng, có kết cấu, độ nhợt hay hình dạng xác định. Hoạt động pha trộn trong công nghiệp hóa chất tạo ra các cấp độ hoàn chỉnh sản phẩm cuối cùng khác nhau. Bởi vì nhiều cơ sở hóa chất sử dụng cùng một thiết bị cho nhiều công thức pha chế khác nhau, cho nên các thiết bị điều khiển, các cảm biến đo và van đóng/mở đường ống phải có khả năng hoạt động với độ chính xác cao trong một phạm vi rộng.

Hình 1: Pha trộn theo mẻ và Pha trộn liên tục

Quá trình pha trộn theo mẻ có thể làm giảm hiệu suất tổng thể của nhà máy hóa chất bởi những nguyên nhân sau: trước hết, đó là việc bổ sung các chất theo trình tự, khi đó có thể mất hàng giờ kể từ lúc chất đầu tiên được cấp xong và chuyển sang cấp chất tiếp theo. Phần lớn thời gian này được yêu cầu để các chất tiếp xúc, phản ứng với nhau hoặc cho quá trình đồng nhất hỗn hợp các chất. Thứ hai, quá trình pha trộn đòi hỏi không gian mặt sàn nhà máy rộng để lắp đặt thiết bị có kích thước lớn (Hình 1). Thứ ba, pha trộn mẻ yêu cầu bộ phận lưu giữ thành phẩm lớn. Không gian này phải luôn có sẵn để có thể tiến hành mẻ tiếp theo. Cuối cùng, pha trộn mẻ liên quan đến nhiều thiết bị hơn là pha trộn liên tục.
Việc sử dụng cảm biến Coriolis có thể cải thiện các hoạt động pha trộn, tuy nhiên, tính chính xác cao chỉ đạt được đối với quá trình trộn mẻ tự động. Đối với điều khiển mẻ trộn, phương pháp đo duy nhất có thể đạt được độ chính xác ngoài việc dùng cảm biến Coriolis là dùng tế bào cân. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào cân này chỉ đạt được độ chính xác vừa phải, và luôn phải quan tâm tới trọng lượng thùng cân cho mỗi quá trình cân của mỗi thành phần. Hơn nữa, với lượng thành phần bổ xung nhỏ thì một hệ cân sẽ không thể đo được chính xác. Còn nếu thêm một hệ cân nữa thì sẽ rất tốn kém khi đầu tư, bảo dưỡng và kiểm chuẩn.
Sự khuấy cũng ảnh hưởng đến trọng lượng tế bào cân. Tiếng ồn do sự hỗn loạn của dòng chất lỏng cần được loại bỏ. Sử dụng hệ cân yêu cầu việc bảo dưỡng nhiều hơn việc dùng cảm biến đo với kích thước nhỏ gọn như cảm biến Coriolis. Ngoài ra, việc sử dụng cảm biến đo thể tích thì thường có độ chính xác thấp hơn cảm biến Coriolis, và một số loại cần lắp đặt trên đường ống tăng áp ở đoạn định trước, dẫn đến sai số kết quả và tăng sức tiêu thụ điện năng cho bơm, máy khuấy vì sự tăng áp lực đường ống.

QUÁ TRÌNH PHA LOÃNG
Đây là quá trình pha trộn cơ bản. Rất nhiều quá trình pha trộn cần được pha loãng và có thể sử dụng nước tinh khiết. Lý do cho việc pha loãng này thì có rất nhiều, như làm loãng nồng độ kiềm, làm tan chảy kiềm/axit, … Đặc điểm của quá trình pha loãng này là giá trị các chất tham gia rất đắt, liều lượng của các chất có thể rất nhỏ.
Để đảm bảo hiệu suất của quá trình pha loãng và giảm chi phí thì yêu cầu về tính chính xác của quá trình này phải cao. Nơi tốt nhất để pha loãng là càng gần điểm tháo/dỡ sản phẩm cuối cùng càng tốt. Nhằm thu được hiệu quả cao trong quá trình pha loãng, các nhà máy hóa chất thường sử dụng hai cảm biến Coriolis để đo chất lỏng và nước với công thức rất linh hoạt, ví dụ cảm biến Coriolis Micromotion cho phép đo lưu tốc dòng chất lỏng pha loãng đạt độ chính xác là ±0.05%, tỷ trọng là ±0.0005g/cm3 [3].

PHA TRỘN LIÊN TỤC
Quá trình pha trộn liên tục đòi hỏi nhiều cảm biến đo. Tương tự như pha trộn theo mẻ, sự khuấy trộn vẫn xuất hiện ở pha trộn liên tục nhưng đã được thay đổi. Trong phần lớn quá trình, sự cạnh tranh đã loại bỏ giai đoạn tách biệt sau khi nhiều chất cùng tham gia. Pha trộn liên tục thích hợp cho việc pha trộn các chất đòi hỏi độ chính xác cao hơn là việc sau đó tiến hành loại bỏ các thành phần vượt quá liều lượng mong muốn. Các trang thiết bị và chi phí năng lượng không phải là chỉ tiêu so sánh chính khi xây dựng hệ thống này nhưng chu kỳ pha trộn thường được cải thiện đáng kể. Pha trộn liên tục là xu hướng có tính ứng dụng rất cao trong hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, với pha trộn liên tục các nhà máy chỉ có một cách để thực hiện pha trộn đúng. Hoạt động pha trộn “lại” thường không phải là một lựa chọn, vì quá trình pha trộn liên tục phải luôn đảm bảo hoạt động và không xuất hiện bất kỳ sự cố hay hỏng hóc nào khi thưc hiện.
Với một chu trình, các phản ứng khuấy và cấp vào liên tục các chất, thậm chí có bù áp suất/nhiệt độ cho các cảm biến đo theo nguyên lý thể tích nhưng vẫn có thể không đem lại kết quả đo có tính chính xác cao. Quá trình pha trộn liên tục bao gồm đo và trộn các nguyên vật liệu trong đường ống như là dòng chảy vật liệu để tạo ra tỷ lệ pha trộn chính xác và thỏa mãn công thức pha chế xác định (Hình 1). Quá trình pha trộn liên tục đạt được tính chính xác bằng hoặc lớn hơn tính chính xác của quá trình pha trộn theo mẻ. Mặc dù việc pha trộn liên tục có thể làm giảm bớt đáng kể những thiếu sót của pha trộn mẻ, nhưng việc triển khai hệ thống này trong nhà máy còn gặp nhiều trở ngại, mà chủ yếu bắt nguồn từ “văn hóa doanh nghiệp”, ngại tiếp thu công nghệ mới, quen với hệ thống cũ, …Bên cạnh đó, nhiều nhà máy đã đầu tư rất nhiều về trang thiết bị cho hệ thống pha trộn mẻ và đang do dự để thay thế nó. Đối với những chỗ chứa sản phẩm tạm thời có thể được sử dụng để làm tăng khả năng lưu trữ. Việc chuyển đổi thường được thực hiện sau khi mở rộng.
Lợi ích chính của pha trộn liên tục với điều khiển quá trình tự động là tăng độ an toàn trong vận hành. Việc loại bỏ các thùng (bể chứa) làm giảm nguy hiểm trong tiếp xúc của người vận hành với vật liệu độc hại. Hơn nữa, pha trộn liên tục cho phép một lượng nhỏ chất độc hại có thể được cấp vào tại một địa điểm nhất định nào đó.

SỬ DỤNG CẢM BIẾN CORIOLIS TRONG PHA TRỘN LIÊN TỤC

Sản phẩm của quá trình pha trộn liên tục phải hoàn hảo, không có sự khác biệt về chất lượng. Để thực hiện được điều này, khâu đo trong hệ thống điều khiển quá trình thường sử dụng cảm biến Coriolis (Hình 2). Thông thường cảm biến đo Coriolis bao gồm hai phần: bộ đo Coriolis và bộ truyền tín hiệu Coriolis [2]. Bộ phận đo Coriolis được lắp đặt tại đường ống công nghệ. Bộ truyền tín hiệu Coriolis có thể lắp đặt trên bộ phận đo ở đường ống công nghệ hoặc gắn trong tủ điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm. Với mỗi đường cấp chất pha trộn sẽ được lắp đặt một đầu đo Coriolis cùng một van điều khiển, kèm theo một bộ truyền tín hiệu Coriolis để truyền thông tin đo về tủ điều khiển (PLC, bo mạch điều khiển, …) hay đưa đến thiết bị khác.

Hình 2: Cảm biến Coriolis gồm ống đo (sensor) và bộ truyền tín hiệu (transmitter)

Hệ thống điều khiển quá trình sử dụng cảm biến Coriolis cho phép hoạt động trong nhiều năm mà không cần thay đổi, bảo dưỡng hay kiểm chuẩn. Các bộ điều khiển quá trình như PLC, … khá linh hoạt và mềm dẻo cho đa dạng công thức pha chế. Thời gian thực hiện hoặc tốc độ xử lý có thể được điều chỉnh phù hợp với các đòi hỏi của khách hàng. Hơn nữa, có thể bổ sung thêm đầu vào, mở rộng thêm đường ống cấp hóa chất mà không làm phá vỡ kết cấu hiện có của hệ thống. Việc vệ sinh các trang thiết bị đơn giản, ngay tại chỗ bằng chất lỏng.
Cảm biến Coriolis cung cấp tín hiệu đầu ra không chỉ là lưu tốc khối lượng mà còn nhiều thông số quá trình khác như lưu lượng thể tích, nhiệt độ chất lỏng, tỷ trọng, … Ngoài ra, một tín hiệu chuẩn dòng 4-20mA mang thông tin đo, trên hai dây, truyền tin dạng số từ bộ tín hiệu Coriolis về tủ điều khiển để kết nối đến thiết bị điều khiển, sẽ loại bỏ được tác động của nhiễu môi trường lên tín hiệu đo (Hình 2). Tùy thuộc vào chọn lựa cấu hình model mà các bộ truyền tín hiệu Coriolis được trang bị thêm các tính năng kỹ thuật cao cấp như hiển thị giá trị đo ở nhiều hệ đơn vị đo lường khác nhau, hỗ trợ truyền thông số theo chuẩn công nghiệp như HART, Modbus, Profibus PA, Foundation fielbus, …

KẾT LUẬN
Quá trình pha trộn liên tục cho phép tiết kiệm được thời gian và không gian, và hoàn toàn thay thế được cho quá trình pha trộn theo mẻ. Khi dùng cảm biến đo Coriolis trong hệ thống tự động hóa quá trình pha trộn liên tục, cho dù đây là việc nâng cấp từ một quá trình đã có hay lắp đặt một quá trình mới, thì luôn đạt được kết quả, đó là: nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng thời gian hoạt động dòng vật chất, tối ưu hóa không gian lắp đặt thiết bị, giảm chi phí nhân công, tăng độ an toàn, nâng cao khả năng xử lý thông tin từ hệ thống điều khiển, đẩy mạnh phân phối sản phẩm đáng một cách đáng tin cậy, giảm thiểu chất thải.q

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trịnh Lương Miên; Đo lưu lượng chất lỏng, chất khí trong công nghiệp; Tạp chí Tự động hóa ngày nay; No. 142, 10/2012.Đo lường các sản phẩm dầu khí bằng cảm biến Coriolis
[2]. Trịnh Lương Miên; Đo lường các sản phẩm dầu khí bằng cảm biến Coriolis; Tạp chí Tự động hóa ngày nay; No. 144, 12/2012.
[3]. Micromotion mass flow and density meters; Product data sheet; Micromotion.com.

TRỊNH LƯƠNG MIÊN: Đại học Giao thông Vận tải: Email: Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.

Số 149 (6/2013)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay

thiết kế nội thất chung cư


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết